基于FMEA與FTA的智能集成平臺測試方法

中圖分類號：U662.9 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945(2025)14-0170-04

Abstract:Toenhancetheacuracyandcomprehensivenessof testcasedesignintheIntellgent Integral Platform(IP)system testingprocess，andtoddresslimitationsinteefectivenessanduffciencyofexistingdesigns，thisstudymplosFlureMde andEfectsAnalysis(FMEA)andFaultTreeAnalysis(FTA).Throughtheintegrationoftheseanalyticalmethodologies，theyare systematicallyapliedtothetestingframeworkoftheIIPsystem.Findingsfrompracticalapplicationtestingindicatethatthis approachsubstantiallyenhances thesuffciencyandefectivenessoftestcase designforthe IIPsystem.Theseresultsffera valuablereference for optimizing testing protocolsand standardswithin the Intelligent Integral Platform system.

Keywords:smart ship;intelligent integrated platform;FMEA;FTA;test method

智能船舶是傳統(tǒng)造船業(yè)與現(xiàn)代信息技術的深度融合。這一領域的發(fā)展要求從概念化設計到實際運行的全過程，都需經(jīng)過細致的功能和系統(tǒng)測試與驗證，以確保其功能的合理性、可靠性和完整性。因此，建立智能船舶的功能測試與驗證技術，以及建立相應的測試驗證體系，對于將智能船舶的概念轉化為實際應用至關重要。智能集成平臺作為智能船舶的關鍵系統(tǒng)組成部分，建立其系統(tǒng)測試方法體系對于智能船舶的穩(wěn)定運行至關重要。本文將以智能集成平臺功能架構為測試對象，通過結合故障模式與影響分析(FMEA）和故障樹分析(FTA)技術，確定智能集成平臺測試優(yōu)先級，生成測試用例，為智能集成平臺的設計、優(yōu)化提供技術支持和評價標準。

1智能船基平臺功能及構成

根據(jù)中國船級社(CCS)發(fā)布的《智能船舶規(guī)范》（2024），智能集成平臺功能架構包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)應用、數(shù)據(jù)共享與展示和船岸信息交互[2]。

1.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集模塊是智能船舶集成平臺的基石，它通過部署一系列高精度傳感器和數(shù)據(jù)采集設備，實時監(jiān)測船舶的機械狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)以及航行性能。該模塊的關鍵任務是確保所收集數(shù)據(jù)的準確性和完整性，為船舶的智能化管理和決策提供原始輸入。測試重點包括驗證傳感器在多變海洋環(huán)境中的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)采集的實時性以及數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全性和完整性。

1.2 數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)存儲模塊負責將采集到的海量數(shù)據(jù)進行有效存儲和管理。采用高可用、高性能的數(shù)據(jù)存儲方案，并實施數(shù)據(jù)備份和災難恢復策略，以防止數(shù)據(jù)丟失或損壞。該模塊的測試重點在于評估存儲系統(tǒng)的容量規(guī)劃、數(shù)據(jù)讀寫性能，以及數(shù)據(jù)備份和恢復機制的可靠性，確保長期存儲的數(shù)據(jù)安全和高可用性。

1.3 數(shù)據(jù)整合

數(shù)據(jù)整合模塊將多源異構數(shù)據(jù)進行融合和處理，以形成一個統(tǒng)一、標準的數(shù)據(jù)。為船舶的智能應用提

供一致性的數(shù)據(jù)支持。測試重點在于驗證數(shù)據(jù)整合的準確性、效率以及整合后數(shù)據(jù)的一致性和時效性，確保信息的準確表達和應用的有效性。

1.4數(shù)據(jù)應用

數(shù)據(jù)應用模塊是智能船舶集成平臺的核心，它通過集成和分析采集的數(shù)據(jù)，給智能航行、智能機艙、智能能效管理等船舶智能系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持，為船舶的智能化運行提供決策支持。該模塊測試重點在于驗證數(shù)據(jù)分析的準確性、算法的可靠性，以及系統(tǒng)對不同運營場景的適應性和響應能力，確保決策建議的有效性和實用性。

1.5數(shù)據(jù)共享與展示

數(shù)據(jù)共享與展示模塊致力于將處理后的數(shù)據(jù)和分析結果以直觀、易理解的方式呈現(xiàn)給用戶，并支持數(shù)據(jù)在船舶內部及與岸基系統(tǒng)間的安全共享。它通過

設計友好的用戶界面和實施數(shù)據(jù)共享協(xié)議，提高信息的可用性和交互效率。測試重點在于評估數(shù)據(jù)展示的清晰度、直觀性，以及數(shù)據(jù)共享的安全性和權限控制。

1.6 船岸信息交互

船岸信息交互模塊是智能船舶與岸基系統(tǒng)之間通信的關鍵，它通過可靠的通信技術，如衛(wèi)星和無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸和遠程控制指令的執(zhí)行。該模塊的測試重點在于驗證通信鏈路的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和準確性，以及在緊急情況下的快速響應能力，確保船岸之間的無縫連接和有效協(xié)同。

2智能集成平臺測試方法框架及步驟

針對智能集成平臺功能特點和系統(tǒng)在智能船舶中的定位，本文結合現(xiàn)有的技術資料，提出了一種基于FMEA和FTA的智能集成平臺測試方法框架，如圖1所示。

故障模式與影響分析（FMEA）和故障樹分析(FTA)是2種用于評估軟硬件系統(tǒng)風險性的技術。它們主要被應用于那些對安全性和穩(wěn)定性有著嚴格要求的軟硬件系統(tǒng)中。然而，單獨應用這些技術進行系統(tǒng)穩(wěn)定性分析時存在不足。FMEA是一種從局部到整體分析單一故障路徑的方法，其結果通常以表格形式呈現(xiàn)，這限制了它在表達故障原因之間復雜邏輯關系的能力，并且它主要關注單點故障的改進，而忽視了多點故障的可能性。FTA是一種從整體到局部，按照樹狀圖逆向追溯故障原因的方法，但在選擇最頂層事件時可能會忽略一些潛在因素，同時在分析底層事件時也可能存在疏漏，這可能會影響對底層事件重要性的排序，進而影響到改進措施的優(yōu)先級判斷。

本文提出的智能集成平臺測試方法框架，結合了FMEA和FTA分析技術的各自優(yōu)勢，通過正向綜合分析，先通過FMEA分析智能集成平臺系統(tǒng)結構，確定約定層次，獲得失效影響。再由FTA進行失效原因分析。輸出的分析結果包括失效模式、失效原因、失效影響和失效嚴重度。

基于GJB/Z1391—2006《故障模式、影響及危害性分析指南》給出的失效嚴重度評級標準，失效嚴重度等級為10到1級。10級代表失效故障嚴重程度最嚴重，1級代表失效故障嚴重程度最輕4。失效嚴重度通常根據(jù)失效影響和可能性來進行分析評級。在智能集成平臺測試用例的制定過程中，依據(jù)失效嚴重性來安排測試任務的優(yōu)先順序和資源配置，確保那些具有較高嚴重等級的失效模式能夠獲得優(yōu)先級的測試。通過這種方式，可以保證在測試過程中，對那些可能導致嚴重后果的失效模式給予重點測試。

相比于單一故障分析模式，通過結合FMEA和

FTA故障分析技術，在設置測試用例時，通過整合失效故障管理策略，測試計劃可以變得更加周全和合理。這種方法不僅有助于明確測試的優(yōu)先級和關鍵點，還能有效分配測試資源，提升了系統(tǒng)的可靠性，并減少了系統(tǒng)測試過程中的風險5。

智能集成平臺測試方法框架具體作業(yè)步驟如下。

首先，分析智能集成平臺系統(tǒng)架構，確定約定層次。

其次，列舉系統(tǒng)中約定層次的失效模式，建立FMEA工作表，分析系統(tǒng)失效模式的失效影響和嚴重度。

然后，用FTA故障樹分析對應失效模式，通過FTA的基事件，確認測試的子功能點和測試細節(jié)。

最后，通過確認的子功能點和失效嚴重度，確認系統(tǒng)測試用例和測試細節(jié)

3智能集成平臺測試應用

以智能集成平臺系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊為分析對象，在系統(tǒng)測試中采用上述測試框架和步驟進行了系統(tǒng)測試前期分析和測試用例制定。以驗證系統(tǒng)測試實施過程中針對性的提升。

3.1 確定測試對象

智能集成平臺系統(tǒng)架構如圖2所示，共有6個功能模塊，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)整合模塊、數(shù)據(jù)應用模塊、數(shù)據(jù)共享與展示模塊和船岸信息交互模塊。數(shù)據(jù)采集模塊又包含NEMA協(xié)議采集、Modbus協(xié)議采集、OPCUA協(xié)議采集。OPCUA協(xié)議采集模塊將作為實際系統(tǒng)應用模塊進行測試方法的驗證。

3.2建立FMEA分析工作表

析約定對象為圖2中的A1、A2、A3、A4，F(xiàn)MEA分析以

在確認OPCUA協(xié)議采集為約定分析對象，最低分A1、A2為例，建立FMEA分析工作表，見表1。

3.3 FTA故障樹分析

在進行FTA故障樹分析時，將“控制決策異常”定位為頂層故障事件，并運用分層分析的方法進行研究，相關分析如圖3所示。FTA故障樹分析可以通過最小割集來判斷各個失效基事件，通過分析各個失效基事件是否有足夠可靠性驗證，來設定最后的系統(tǒng)驗證測試用例。同時，可以根據(jù)失效基事件來完善FMEA分析表中的失效原因。

3.4系統(tǒng)驗證測試用例大綱建立

依據(jù)FMEA的失效分類和失效模式，能夠定位系統(tǒng)驗證測試的關鍵功能點。失效嚴重性可以幫助確認系統(tǒng)驗證測試的執(zhí)行順序，嚴重度高的優(yōu)先進行系統(tǒng)驗證。FTA中的失效基事件能夠協(xié)助識別系統(tǒng)驗證測試的子功能點和需要關注的測試細節(jié)。基于FMEA和FTA分析后的控制決策異常測試驗證用例大綱整理見表2。

通過結合故障模式與影響分析(FMEA)和故障樹分析（FTA）的方法來構建系統(tǒng)驗證測試用例大綱，能夠顯著提升測試用例大綱制定的效率，并增強測試流程的一致性，同時降低系統(tǒng)失效風險被遺漏的可能性。在FMEA框架下，每個失效分類被定義為一個宏觀的測試功能點，通過FTA分析，每個失效基事件則細化為一個具體的測試點。通過評估風險的嚴重性來確定測試的優(yōu)先順序，使得高風險測試得以優(yōu)先執(zhí)行，能合理且有效地分配系統(tǒng)驗證資源，保障系統(tǒng)關鍵性 問題的快速識別和驗證

4結論

傳統(tǒng)系統(tǒng)驗證在初始階段，需要對需求規(guī)格和設計文檔進行詳盡的分析，通常根據(jù)文檔所提供的邏輯結構，構建系統(tǒng)驗證測試方案。而基于FMEA和FTA分析的智能集成平臺測試方法，通過對系統(tǒng)分別從下而上，再從上而下進行全面系統(tǒng)風險分析，跟蹤提煉系統(tǒng)中的每一個系統(tǒng)風險性線索，可以實現(xiàn)對系統(tǒng)風險的整體把控。同時，該方法能夠迅速識別和確認系統(tǒng)中的關鍵性問題，定位出每個故障的具體原因，從而使系統(tǒng)驗證工作更具目標性。此外，通過評估風險的嚴重性來確定測試的優(yōu)先順序，使得高風險測試得以優(yōu)先執(zhí)行，能合理且有效地分配系統(tǒng)驗證資源。

本文所提出的基于FMEA和FTA分析的智能集成平臺測試方法，能夠有效評估智能船舶集成平臺各個模塊的風險程度，挖掘定位系統(tǒng)中的關鍵失效風險和原因，具有較高的適用性和可行性。通過實船系統(tǒng)測試驗證，表明該測試方案能夠有效、全面地為智能集成平臺系統(tǒng)實施系統(tǒng)測試驗證，并可為類似智能船舶系統(tǒng)開展系統(tǒng)驗證測試提供參考。

參考文獻：

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